摘要：目前国内外对排水管网的设计往往局限于在给定管网布线的情况下, 对污水管线的管径、埋深、坡度等参数进行研究, 较少涉及排水管网系统的平面优化设计。
关键词：排水管网；平面布置；最小生成树优化方法；
排水管网是一个庞大而复杂的系统, 在其优化设计过程中, 管网平面的优化布置和水力参数的优选是 2 个相对独立而又相互关联的阶段。对于平面布置已定条件下水力参数的优选问题, 国内外做了大量开拓性工作, 并取得了许多成果。相对而言, 排水管网平面布置的优化研究较少, 许多工程的管线布置很大程度上还在依靠经验来定。
一、 排水管网优化设计的内容
排水管渠的优化一般涉及 4 个方面的内容：（ 1 ）一个城市最佳排水分区数量和集水范围的确定；（ 2 ）最佳管线布置形式的确定；（ 3 ）管线布置形式给定条件下管系的优化设计；（ 4 ）雨水径流模型的建立。排污水管网的优化设计包括 2 个方面的内容： ① 管线平面布置的优化选择。 ② 在管线平面布置已定的情况下进行管道参数，即管段管径及埋深的优化设计。 市政排水管网的优化设计主要是解决在确定平面布置方案下。 排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水镣网平面布置方案的优化研究。 近几年来，我国的科研人员对污水管网系统的优化设计研究进行了大量的工作，取得了不菲的成果。
一、 污水处理系统优化理论研究
对于一个区域污水处理系统, 由于受到地形地貌、区域规划功能、污水排放量等诸多因素的约束,如何对污水处理厂选址、污水管网布置、提升泵站配置等进行合理优化是一个值得研究的问题 。
1.污水管网平面布置的优化。城市排水管道多敷设于纵横交错的路网之下,污水由各支管的起端进入, 经过干管收集汇入主干管, 最终进入污水处理厂进行处理, 形成了以污水处理厂为根节点的不含圈的连通图, 即树。具有 N 个污水处理厂的排水管网系统形成 N 棵以污水处理厂为根节点彼此不相连通的树。因此, 可采用最小生成树理论对污水管网平面布置进行优化。根据该理论, 污水管网平面布置的优化可以简化为构造 N棵以污水处理厂为根节点的最小生成树, 优化目标是使污水收集管网的投资费用最省。在权值固定且大于零的条件下, Dijkstra 算法是构造最小生成树简单而有效的方法 。但是, 在污水管道平面布置优化过程中, 网络的权值不是固定的, 而是与管段的流量、埋深和长度有关, 管道长度虽然不变, 但是管段的流量和埋深随着管道平面布置的变化而变化。标准的 Dijkstra 算法不能胜任变权值最小生成树的计算。为了解决这一问题, 对 Dijkstra 算法进行改进, 在最小生成树生成过程中, 考虑新管段的引入对排水管网系统下游管段费用的影响, 使管段的权值随着新增节点的添加而变化, 污水流向总是从新增节点流向生成树与新增节点相连的节点。随着 N 棵不相连通最优树的生成, 每个污水处理厂的服务范围和规模也就相应确定。
2.污水处理厂数目、位置及排水区域的优化。由于污水处理厂数目、位置及排水区域都不是污水处理工程总投资费用的显函数, 没有直接的方法对其进行优化, 但是通过分析可以知道,当污水处理厂的数目增加时, 投资费用增加, 而污水收集管网的投资费用减少; 反之, 当污水处理厂数目减少时, 投资费用减少, 而污水收集管网的投资费用将增加, 其中存在一个最优的污水处理厂数目, 可以使污水处理工程的总投资费用最省。鉴于上述理由, 根据城市的总体规划, 可以初步确定拟选污水处理厂厂址, 通过对拟选厂址进行排列组合, 再结合管网平面布置的优化结果求出投资估算值。可先假定建一个污水处理厂, 再检验增建一个污水处理厂的可能性, 分别得到建 1 个、2 个、3个 N 个污水处理厂可能性, 通过 递增检验法, 按照使污水处理系统总投资费用最低的原则,确定污水处理厂的数目、位置及排水区域。
三、排水管网优化设计的必要性
排水管网是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例占整个排水系统投资的一大部分。 因此，对排水管网可行性优化意义重大。随着城市经济发展，城市道路修建，排水管网不断普及，但是还存在许多问题。 污水管网系统同时是现代化城市重要的基础设施， 是城市水污染防治的骨干工程。 因此 . 设计时如何在满足规定的各种约束条件下，优选污水管网的管径、埋深等各个组成部分，尽量降低污水管网的投资费用，是污水管网优化设计的最终目的。当今社会，随着计算机技术的发展，计算机已渗透到人们生活和工作的各个方面。 利用计算机，通过编制程序和软件来对工程进行设计和优化，已被人们广泛应用。
四、工程实例分析
1.工程背景介绍。某镇地势平坦、河涌密集，较大的河涌就有30多条。在这种复杂的自然环境条件下，如何优化设计污水收集管网系统便成为本_T程的一个重要的问题。此外，该镇污水处理采用集中处理方式还是采用分散处理方式也是决定工程投资高低的关键因素。在市政建设和环境治理工程中，城市排水管网系统的投资占整个排水系统投资的60％～70％。目前国内通常依靠经验进行排水管网系统的设计，工作量较大，又很难得出优化方案。因此，采用合理科学的优化方法，有助于降低工程总体投资。根据该镇总体规划和所受环境条件限制的情况，当地规划部门给出了A、B、C三个可供选择的污水处理厂位置，优化目标就是在给定的条件下，确定最优的管网平面布置，优化污水处理厂的数量、位置以及收集范围。
2.污水处理系统优化方案分析与比较。根据该镇远期污水量论证结果，将污水流量转化为节点流量。整个镇域共有181个节点，相邻的节点相连构成管段。考虑到该镇水系比较发达，河涌密集，管线穿越河涌的费用远远高于普通管线，因此建立节点i与节点j穿越河涌的关系矩阵M(i，J)：
式中qp——提升泵站P的提升流量，m3／s；k1、k2：——由最小二乘法确定，kl=4．729 9，k2=0．529 6。以上参数均用于管网的优化计算。根据给定的限制条件，污水处理厂设置的可能方案有A、B、C、AB、AC、BC、ABC 7种组合方式，分别对这7种方案采用最小生成树方法优化污水收集管网平面布置。随着污水处理厂数目的增加，管道的平均总长度降低，管网的输水距离减少；管道穿越河涌的次数减少，降低了提升泵站的设置数目；但是检查井的数目没有发生明显变化。当建设一座污水处理厂选址为C时，工程的总投资最少，污水可集中进行处理，便于管理，该方案可以作为设计首选方案；但缺点是污水收集管网建设的一次性投资较大。当建设两座污水处理厂选址为A和C时，工程总投资次低，污水提升泵站较少，降低了泵站维护费用，因此可考虑作为设计备选方案；缺点是分散处理，增加了运行和维护管理费用。建设一座污水处理厂C与建设两座污水处理厂A和C的平面布置优化结果如图1和图2所示。
图2建设两座污水处理厂A和C的污水收集管网平面优化布置
总之，采用变权值生成树的方法，运用无向图对某镇的污水处理厂选址及管网布置进行了优化，优化结果表明，采用优化设计法布置的方案平均费用可以降低近8％，说明采用该方法进行污水管网设计是有效的、经济的，对该镇的工程设计具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]郭明，浅谈排水管网系统平面布置的优化设计.2017.
[2]黄海生，探讨排水管网系统平面布置的优化设计研究.2017.
论文作者:李姣
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/7
标签：管网论文; 污水处理论文; 污水论文; 平面论文; 优化设计论文; 节点论文; 费用论文; 《防护工程》2019年第2期论文;